夹套反应釜.doc
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1、齐齐哈尔大学毕业设计(论文)摘 要本设计是根据设计任务书的要求和GB150钢制压力容器等相关标准规定,结合釜内物料的性质及其运行条件等进行零件的选取、结构设计计算、强度校核等工作。带搅拌的夹套反应釜,为使搅拌效率高、密封性能好、保温能力强,本设计创新性的采用了涡轮式搅拌器,在有挡板时可以形成两个循环流,采用了既能满足设计要求、又经济的填料密封,并在结构设计上考虑到设备保温的要求,通过这些方法来解决以上问题。在本设计中,由于筒体要收到外压的作用,因而在计算筒体壁厚时采用了图算法计算,此方法较解析法简便且不易出错。本文的全部图纸采用AutoCAD绘制。关键词:夹套反应釜;搅拌;密封;图算法;创新A
2、bstractThe design is based on the design plan requirements and GB150 Steel Pressure Vessels and other provisions of the relevant standards, combined with the nature of the materials within the reactor operating conditions and selection of parts, structural design calculations, strength check, etc. J
3、acketed reaction vessel with stirring, for the mixing efficiency, good sealing performance, insulation ability, and the design of innovative use of a turbine-type stirrer, a baffle can be formed in two circular flow, using both meet the design requirements, and economical packing seal, and taking in
4、to account the structural design requirements of equipment insulation, through these methods to solve the above problem. In this design, as cylinder to receive the role of external pressure, and thus used in the calculation of cylinder wall a map algorithm, this method than the analytical method is
5、simple and less prone to errors. This all drawings using AutoCAD drawing. Keywords: jacketed reactor; stirring; seal; graph algorithm; innovation 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1概述11.2搅拌器研究状况11.3本课题研究中的主要难点以及解决的方法11.4搅拌设备在工程技术上的特点2第2章 设计任务说明书32.1设计题目32.2设计参数和技术特性指标32.3设计要求3第3章 计算设计53.1 反应釜釜体及夹套设计计算53.1.1
6、确定筒体和封头的几何尺寸53.1.2 釜体及夹套的强度计算73.1.3 水压试验校核9第4章 反应釜搅拌装置设计114.1 搅拌器的选型与直径的确定114.2搅拌轴的设计124.2.1搅拌轴的选材124.2.2搅拌轴直径的计算124.2.3搅拌轴的临界转速144.3挡板设计14第5章 反应釜的传动装置165.1电动机的选择165.2减速器的选择165.3机架和联轴器的选择175.3.1机架的选择175.3.2传动轴的选择175.3.3联轴器的选择185.4轴封的选择185.4.1填料的选择185.4.2填料箱的选择185.5凸缘法兰及安装底盖的设计195.5.1凸缘法兰195.5.2 安装底盖
7、20第6章 人孔的计算与校核226.1人孔的选用226.2人孔补强计算226.2.1补强的计算方法236.2.2开孔补强面积的确定23第7章 设备接口257.1 接管与管法兰的选择257.2 垫片的选择257.3 视镜25第8章 支座的选择与计算268.1支座的选择268.2支座的承载计算26结论30参考文献31致谢3232第1章 绪 论1.1概述夹套反应釜是过程装备行业中典型的静设备,大量应用于化工、医药、食品、采矿、造纸等行业中。搅拌设备的使用也是历史悠久,搅拌设备在许多场合是作为反应器来用的。例如,在三大合成材料(合成橡胶、合成纤维、合成塑料)的生产中,采用搅拌设备作反应器的,约占反应器
8、总数的85%以上。带搅拌夹套反应釜由搅拌器和釜体组成。搅拌器包括传动装置,搅拌轴(含轴封),叶轮(搅拌桨);釜体包括筒体、夹套、支座、人孔、工艺接管和其他内件等。1.2搅拌器研究状况国外在反应釜焊条方面有了进一步的研究,开发了具有各种性能的反应釜焊条,以满足各方面工业手需要。如日本油脂(TASETO)对于常用的308型焊条除了通用的308、308L焊条外,还开发了提高高温性能的308HL焊条,用于极低温的308LA焊条,控制不同含碳量以提高其耐腐蚀性能的308L3、308L2焊条。先我国已研发出了立、卧两用样的夹套反应釜机已经通过了成都市科技局主持的专家鉴定。专家评价,这种新型反应釜在传质、传
9、热、受力等方面都具有极大的优越性,是对传统化工反应器的一次革命性创新,将在化工生产领域具有广泛的应用前景。这种反应釜是将传统的将传统的带夹套搅拌反应釜的釜体和夹套制作成球形体,釜内壳型形成了360,这样是搅拌是不存在死角,搅拌效果更高。通用的主要还是传统的圆柱形壳体夹套反应釜。1.3本课题研究中的主要难点以及解决的方法本课题在研究过程中遇到的主要难点有如下几点:1、反应釜设备整体密封问题;2、反应釜内部搅拌器搅拌效果;3、反应釜夹套传热效果。对此几点我们做出了相应的解决方法:1、反应釜使用的轴封装置主要有填料和机械密封。机械密封和填料密封相比几乎无磨损、平均泄漏量为填料密封的1%、使用寿命长等
10、特点,所以轴封形式采用机械密封;2、在本设计中假定搅拌轴只承受扭矩的作用,然后用增加安全系数以降低材料须用应力的方法来弥补由于忽略轴受弯曲作用所引起的误差。再对搅拌轴进行强度计算和刚度计算;3、根据反应釜的使用条件等确定夹套的形式,达到加好的传热效果。1.4搅拌设备在工程技术上的特点搅拌设备的设计依赖经验和实验,放大较难,同一搅拌操作可用多种不同结构的搅拌设备来完成,但不同的实施方案所需的能耗和设备投资是不同的。该设计过程是机械与过程装备专业知识的集成,属于非标设备,随着工业的发展,根据工艺过程的要求,搅拌设备的发展方向正朝着机电一体化和智能化的方向发展。查自文献5,9。第2章 设计任务说明书
11、2.1设计题目设计一台3.5夹套传热搅拌反应釜。2.2设计参数和技术特性指标表2-1 设计参数及要求容器内夹套内工作压力,MPa0.30.4设计压力,MPa0.330.44工作温度,0-1500-150介质染料及有机溶剂冷却水或蒸汽传热面积,7全容积,3.5腐蚀情况微弱推荐材料Q235-B搅拌轴形式推进式搅拌轴转速,r/min200轴功率,Kw52.3设计要求1、进行罐体和夹套及支座的设计计算;2、选择接管、法兰管、设备法兰和手孔校核计算;3、进行搅拌传动系统设计;(1)、进行传动系统方案设计;(2)、作带传动设计计算;定出带型,带轮相关尺寸(3)、选择轴承和联轴器;(4)、进行罐内搅拌轴的结
12、构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计;4、设计机架结构和安装底盖;5、选择轴封形式;6、绘制装配图(图纸)7、绘传动系统部件图。第3章 计算设计3.1 反应釜釜体及夹套设计计算3.1.1 确定筒体和封头的几何尺寸3.1.1.1 确定筒体和封头的形式根据设计要求选择圆柱型筒体和椭圆型封头。3.1.1.2 确定筒体和封头的直径设备容积要求3.5 ,反应物料为液液类型,由表3-1知,考虑容器不大,为使直径不致太小,在顶盖上容易布置接管和传动装置, 故选用。表3-1 长径比值种类设备内物料类型一般搅拌器液-固或液-液相物料11.3气-液相物料12发酵罐类1.72.5由下式估算 (3-1)将的估算值圆整
13、到公称直径系列,故取。封头内径取筒体内径值,采用椭圆型封头,直边高查表初选。3.1.1.3 确定筒体高度当=1600mm,=25mm时,查表得椭圆形封头的容积。查表得筒体1m高的容积,由下式计算得:取,所以故不符合要求。取当,时,查表得椭圆形封头的容积。查表得筒体1m高的容积,由下式计算得:取,所以符合要求。3.1.1.4 选取夹套直径时,查表得夹径夹套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。3.1.1.5 确定夹套高度由公式 (3-2)确定夹套高,式中为装料系数,代入公式3-2得:取3.1.1.6 确定传热面积由JB/T4746-2002查得:封头表面积,1m高筒节表面积,则:实际总传热面,
14、可用。3.1.2 釜体及夹套的强度计算3.1.2.1 选择设备材料,确定设计压力由已知建议并分析工艺要求和腐蚀因素,决定采纳建议意见,选用Q235-B钢板,其在下的许用应力为:设计压力的确定:夹套的筒体和封头是内压容器,按已知,设计压力釜体的筒体和封头既受内压又受外压的作用。内压设计压力,设计外压的取法是考虑操作过程出现的最大压力差,所以取为设计外压。3.1.2.2 夹套的筒体和封头壁厚计算夹套的筒体壁厚 (3-3) 式中,为焊接系数,采用双面焊缝,不进行探伤检查:(夹套封头用钢板拼焊);壁厚附加量,式中为钢板负偏差,初步取,腐蚀裕度,热加工减薄量(封头热加工),因此;。,圆整到钢板厚度标准规
15、格,取夹套封头壁厚 (3-4)式中,、取值同上式,其中,代入上式:为照顾到筒体和封头焊接的方便取(1) 釜体的筒体壁厚1)按承受的内压设计 (3-5)式中,设计压力;筒体内径;许用应力(同夹套材料);焊缝同夹套,故;厚度附加量;上述各值代入3-4得2)按承受的外压设计设筒体的计算壁厚,并决定之值;-筒体外径,-筒体计算长度, - 有效壁厚, 则:,由文献1,130图查,由于釜体材料Q235-B钢板,由图查得,则许用外压故:满足外压稳定性要求。(2)釜体的封头壁厚计算1)按内压计算 (3-6)式中,代入上式:考虑到封头与筒体的焊接方便取封头与筒体等壁厚2)按外压校核,采用图算法:封头计算壁厚椭圆
16、封头的计算当量半径,由设计规定查表得,故;系数,查文献1,131图表得,则许用外压大于水压试验时的压力,故用,外压稳定安全。3.1.3 水压试验校核3.1.3.1 确定试验水压釜体水压取:夹套水压取:内压试验时:釜体筒壁内应力: 夹套筒壁内应力:釜体封头壁内应力:夹套封头壁内应力: 因为Q235-B常温,而:都小于,故水压试验安全。外压水压试验:釜体筒体外压校核:,由图查得,故许用外压:,故在做外压水压试验时应在釜体充压,以防釜体筒体失稳。釜体底封头外压校核:因其允许外压大于外压,故安全。表3-2 计算结果釜体夹套筒体壁厚10mm8mm封头壁厚10mm8mm第4章 反应釜搅拌装置设计搅拌装置由
17、搅拌器、轴及挡板等组成。搅拌器又称为搅拌桨或搅拌叶轮,它是机械搅拌设备的关键部件。在搅拌设备的机械工程设计以及新型搅拌设备的开发中,搅拌器的选型是十分重要的。搅拌操作以及涉及流体的流动、传质和传热,所进行的物理和化学过程对搅拌效果的要求也不同,至今搅拌器的研究还不够,因而搅拌器的选用带有一定的经验性。搅拌轴通常自搅拌釜顶部中心垂直插入釜内,有时也采用侧面插入、底部伸入方式,依据不同的搅拌要求选择不同的安装方式。搅拌设备中电动机输出的动力是通过搅拌轴传递给搅拌器的,因此搅拌轴必须有足够的强度。所以搅拌装置设计的主要内容包括搅拌器的选型、确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构、进行搅拌轴的强度设
18、计等。4.1 搅拌器的选型与直径的确定工作介质为染料及有机溶剂,属于液-液混合,且要求工作转速为200r/min,由文献4-137查的选用直叶径流圆盘涡轮式搅拌器,且有=(0.250.5),故=(375750),选用为400的涡轮式搅拌器具体零件尺寸见表4-1,主要零件数量材料见表4-2表4-1 搅拌器零件尺寸40050802706M106806014101001453.8 4-2 搅拌器零件明细表名称数量材料桨叶6Q235-B 轮盘1Q235-B 轴套1Q235-B 搅拌器的潜液深度:搅拌器至容器底部距离:4.2搅拌轴的设计搅拌轴的设计主要是确定危险截面处的最小尺寸,进行强度、刚度计算或校核
19、验算轴的临界转速和挠度,以便保证搅拌轴能安全平稳地运转。一般情况下,搅拌轴直径d必须满足强度和临界转速要求,当有特殊要求时,还应满足扭转或径向位移的要求。确定轴的实际直径时,通常还得考虑材料的腐蚀裕量,最后把直径圆整为标准轴径。因此,本设计中搅拌轴设计内容和一般轴设计相同,主要涉及强度、刚度的计算校核和临界转速校核。4.2.1搅拌轴的选材因为物料腐蚀程度微弱,则搅拌轴的材料选用最常用的45钢。4.2.2搅拌轴直径的计算4.2.2.1搅拌轴的强度计算轴的扭转强度条件按公式(4-1)计算: (4-1) 式中 轴横截面上的最大剪应力,MPa; 轴所传递的扭矩,Nmm; 轴的抗扭截面系数mm; 材料
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